CN114929357A - 用于对多成分物质进行连续热分离的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于对进给到贮槽内的处理室中的物质进行连续热分离的设备。除贮槽外，该设备还包括具有外部热源的加热装置和具有外部旋转驱动器的旋转机构。加热装置和旋转驱动器被配置为使得当加热装置和旋转驱动器二者都以其相应的操作输入功率Phd和Prm操作时，在贮槽的内表面附近的体积部Vp内获得所得操作温度Top，该所得操作温度等于或高于构成所述物质的一部分的至少一种液体的蒸发温度Te。

Description

用于对多成分物质进行连续热分离的设备
技术领域
本发明主要涉及一种用于对流到处理室中的多成分物质进行连续热分离的设备。
该设备特别适于利用废热作为用于废物和副产品的热分离的主要间接能源贡献因素。分离包括通过加热从物质中移除流体。
背景技术
含有固体材料和可蒸发液体二者的多种物质可以通过将这些物质加热到高于液体蒸发温度的温度而进行热分离。
由于加热，液体从液相转变为气相，而固体被干燥。用于这种热分离过程的设备在本领域中是众所周知的，并且通常被称为“热解吸单元”(TDU)或干燥器。在加热处理期间，作为后续或附加的处理步骤，液体通常冷凝回液相。
TDU被用于处理大量不同的物质，如来自食品生产的废物和副产品、城市污泥、来自精炼过程或钻井的废物以及含有一种或多种可蒸发液体的各种其他物质。
目前市场上商业上可用的热分离技术大致可分为两种类别：
-间接加热热分离；
-基于摩擦的热分离。
现有的TDU技术大多基于间接加热。外部热源加热容器的外壁，热量经由容器的内表面传递到待加热物质上。
外部热源原则上可以是任何能够将物质加热到蒸发容器内物质中相关液体所需的温度的物质。最常用的热源是蒸汽、热油、火焰、加热气体或废气和电(线缆、元件、感应等)。
在专利出版物GB1575576A中公开了使用间接方法干燥物质的设备的示例。该公开特别涉及处理钻井切屑和钻井液的混合物以从钻井切屑中去除挥发性材料，并且包括加热器，以用于在加热室中加热切屑以蒸发其中的挥发性材料。切屑的加热可以涉及外部电阻元件或借助于进而由通电的辅助热交换器加热的热传递流体。
公开了用于分离废物的相关现有技术间接解决方案的其他相关出版物是公开了用于干燥污泥的蒸发器的US 5.375.343 A和公开了用于干燥流体材料的设备的US3.808.701 A。
US 5.375.343中的蒸发器包括中空柱形的且外部驱动的转子，该转子配备有基本上在蒸发器的长度上延伸的叶片。该设备设想沿蒸发器逐渐加热。此外，US 3.808.701的设备包括水平布置的柱形导管和在导管内内部地旋转的转子。转子支撑与导管内壁操作性地相关联的叶片状元件，其用于擦拭、循环、粉碎和刮擦流体材料。
所有现有的间接(连续)方法都将具有内部传热机构(internal transportmechanism)，其中块体将随着时间(和距离)的推移而逐渐加热。随着水蒸发所需的所有能量都传递到废物中，温度将上升到大约100摄氏度，但这将需要一段时间(和一段距离)。如果该物质还含有蒸发温度较高的液体(如油)，在随后进一步加热该物质之前，这种液体的大部分不会蒸发。在这种情况下，内部传热机构通常长达10至20米，可能需要长达20分钟才能将废物中的所有液体蒸发。
现有间接方法的主要挑战是从容器内表面到待加热物质的热传递。从一开始，这种物质是“湿润的固体”。水和可能的其他液体(如油)是混合在一起的部分并且不是“自由的”。这种物质将受到重力的影响，并将位于贮槽/容器的下部区域(即，底部)或附近。随着固体被加热，固体将被干燥，因此热传递速率将很快降低。虽然从钢到含液体物质的热传递速率最初较高，但热传递将逐渐达到与容器内壁和物质中干燥固体之间的热传递相等或相似的水平。通常认为，对于常见钻井废物成分，即油、水和矿物固体，在间接解决方案中很难实现比约75W/m2K更好的热传递。一个挑战涉及固体将在受热表面形成隔离层从而降低热传递效率这一事实。对于含有蛋白质的固体，这是一个特别的挑战，这是因为这些固体具有高度受热影响的性质，使得有潜在价值的固体发生不期望的降解。
另一方面，基于摩擦的热分离是基于与间接热分离非常不同的原理，即通过摩擦将旋转驱动产生的动能转化为热能(热量)。在这些基于摩擦的过程中，物质容纳室的内表面不会从外部加热。相反，与间接解决方案形成鲜明对比的是，整个热传递表面，即废物中所有干燥颗粒的固结表面，完全位于处理室内。与间接解决方案的相应热传递表面相比，这种固结表面积非常大，从而使得内部传热机构无关紧要。
基于摩擦的解决方案完全依赖于旋转能，因此不利用剩余热源或其他外部间接热源。
此外，基于摩擦的解决方案中的能量损失通常是显著的。例如，在使用柴油发动机来产生所需的旋转能量和/或来自柴油发电机的电力的情况下，通常损失大约2/3。
以下专利出版物公开了已知的基于摩擦的干燥器的相关示例。
US4869810(A)公开了一种从钻井泥浆、漂白土、油罐污泥、油页岩等中分离水中油和其它可蒸发液体的方法，由于粘附泥浆孔隙中分离馏分的毛细管力在摩擦蒸发器中被破坏这一事实，泥浆在比常规蒸发更低的温度下蒸发。
WO02092187(A1)公开了一种用于分离油、水和其他可以通过蒸发从含油材料中蒸发的成分的方法。由于利用了通过第二成分的蒸发形成的气相，在低于成分的大气沸点的温度下实现蒸发。还包括用于干燥含流体材料的设备，该设备包括处理室和安装在所述处理室中的转子。转子包括若干不能摆动的固定转子臂，并且处理室的内表面是光滑的。
所有已知的基于摩擦的干燥机的操作都依赖于旋转能的广泛使用。因此，替代能源(如剩余能源)的使用受到限制。
任何已知的热技术(间接方法和基于摩擦的方法)的共同缺点是消耗大量能量，这两者都导致高操作成本和/或高投资成本。
出于这个原因，通常选择较便宜但效率较低的解决方案，例如填埋或焚烧。这些较便宜的解决方案由于它们的环境危害和浪费潜在的宝贵资源而往往是有问题的。
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种方法，该方法解决或至少减轻与使用现有技术解决方案相关的一个或多个上述问题。
本发明的一个具体目的是提供一种方法，该方法可以使用更紧凑的设备。
本发明的另一个目的是提供一种方法，该方法可以更有效地分离被进给到设备中的多成分物质。
本发明的又一个目的是提供一种方法，该方法提供对进给到设备中的多成分物质的更有效的混合。
本发明的又一个目的是提供一种方法，该方法在干燥期间通过利用废热源而进行更有利的能量消耗。利用多余(溢出)的废热/余热可以显著降低运行成本。
附加地或可替代地，本发明的目的是提供一种方法，该方法能够有效利用其他剩余能源，包括在处理中分离出的具有热值的成分，例如油或干燥的生物质。这类废物的示例包括废油、废溶剂、垃圾衍生燃料、地毯和纺织品废物、塑料或混合塑料废物、汽车粉碎机残渣和肉/骨粉(MBM)。
例如在石油钻井平台上，来自废物的余热和/或热成分可以用于现场热分离。
此外，来自废物的余热和/或热成分可以部分或全部替代其他能源贡献因素。
一些现有解决方案能够利用余热作为热分离的主要能源。然而，这些解决方案具有有限的热传递能力，并且将必然需要大的受热表面和长的内部传热机构。因此，它们将较大、能量损失较高、并且相对较大的受热表面需要保护/绝热，以避免热损失并且减少危险。
发明内容
在独立权利要求中阐述了本发明并示出了本发明的特征，而从属权利要求描述了本发明的其他特征。
在一个方面，本发明涉及一种分离设备，该分离设备适于对进给到处理室中的物质进行连续热分离。该物质包括两种或更多种成分，其中，这些成分中的至少一种在蒸发温度Te处是可蒸发的。
该分离设备包括贮槽，该贮槽包括具有内表面和外表面的贮槽壁，其中内表面包围处理室，该处理室具有长度lc、高度H和宽度W。注意，长度lc和高度H分别被定义为沿着室的长度方向跨过室的延伸程度的平均长度lc和垂直于室的长度方向跨过室的延伸程度的平均高度/宽度H、W。
贮槽还包括：用于将物质进给到处理室中的物质入口、用于从处理室释放物质的不蒸发部分(如固态颗粒)的第一出口、用于从处理室释放物质的蒸发部分(如气体和/或蒸气)的第二出口、以及旋转机构。
旋转机构包括至少部分地沿着处理室的长度lc(以下简称L方向)布置在处理室内的可旋转轴，并包括固定到可旋转轴并从其垂直地延伸的混合装置。所述可旋转轴优选地布置成沿L方向与处理室的中心轴线C(高度H和宽度W的中间位置)对准。此外，所述可旋转轴优选地沿L方向延伸穿过至少一个贮槽末端的中心点，其中，可旋转轴的至少一端位于贮槽外表面的外部。此外，混合装置的径向最外侧部分优选地包括多个在径向上间隔开的混合突出部。例如，这些混合突出部可以是轴向和径向分布的单个径向突出杆的形式和/或布置在混合装置盘的径向突出部分内的轴向定向杆的形式。
分离设备还包括：旋转驱动器，操作性地连接到或靠近可旋转轴的一端；以及加热装置，布置在处理室和内表面之外，例如在外表面处和/或贮槽壁内。加热装置被配置为沿着处理室的长度lc经由内表面将热能传递到在处理室内被限制在混合装置的外部径向边界和内表面之间的最小外围体积部Vp。
注意，术语“径向”在下文中定义为贮槽内垂直于L方向的方向。
旋转驱动器可以是电动机、内燃机和涡轮机中的至少一种。
最小外围体积部Vp的定义应解释为贮槽的一个或多个内壁与混合装置外侧的外边界之间的体积(在所有空间方向上)。因此，混合装置结构之间的任何空的空间都不构成最小外围体积部Vp的一部分。例如，如果贮槽是一个内部长度lc、内直径dc为1米的容器，并且固定在可旋转轴上的混合装置的最外侧结构径向平均延伸0.95米(dmd)，轴向平均延伸0.90米(lmd)，则最小外围体积部Vp为：
Vp＝V柱形部–V混合装置＝1/4π(dc 2lc–dmd 2lmd)≈0.15m3
其中dc＝1米，lc＝1米，dmd＝0.95米，lmd＝0.90米。
混合装置包括：多个旋转盘，这些旋转盘以轴向偏移的方式固定到可旋转轴，优选取向围绕旋转轴线径向对称；以及多个细长物体，这些细长物体使多个旋转盘互连。贮槽的内壁和旋转盘的外边界之间的体积在此定义为最大外围体积部。
加热装置和旋转驱动器被配置为使得当加热装置和旋转驱动器都以其相应的操作输入功率Phd和Prm操作时，在最小外围体积部Vp的至少一部分(优选地整个最小外围体积部Vp)内获得等于或高于蒸发温度Te的所得操作温度Top。
利用这种特定的配置，分离设备能够将在Te处可蒸发的成分蒸发成蒸气云，该蒸气云的热传递速率显著高于最初进给到处理室中的物质的平均热传递速率。
此外，可以设想，可旋转轴还可以连接到多于一个旋转驱动单元，例如两个电动机、一个电动机和一个内燃机等。
在示例性配置中，混合装置的径向直径dmd与处理室的径向直径dc之间的比值在0.8和1.0之间。
此外，多个在径向上间隔开的混合突出部可以被分成一个或多个组，这些组沿可旋转轴轴向分布并且跨越混合装置的轴向长度lmd。每组中的混合突出部的数量定义为，当沿着可旋转轴的方向在所讨论的组的前方的轴向位置处直接观察时，在围绕可旋转轴的整个圆中轴向上最近的混合突出部的数量。
如上所述，混合装置还可包括将多个旋转盘互连的多个细长物体。
在具有至少8个在径向上间隔开的混合突出部的组的优选示例中，旋转驱动器被配置为产生超过每秒5米的周向旋转速度以避免重力的显著影响，更优选地每秒20米或更高的速度以确保强烈的混合和在内表面处的接近瞬时的加热和蒸发。在混合装置的外部，优选地最外侧径向边界处测量周向旋转速度vp。因此，如果混合装置包括径向突出元件，则最外侧的径向边界可以是扰动器件。可替代地或附加地，这样的边界可以是混合装置的细长物体。
在每秒20米或更高的周向旋转速度下，在最小外围体积部Vp内至少部分物质产生湍流特征。如果目标是产生湍流特征，则混合装置的主要目的不是将动能转化为摩擦热，而是在处理室内产生湍流蒸气云(主要由外部热源经由容器的内表面加热)并保持该湍流蒸气云，并且(同时)通过搅拌处理室内的物质来确保从蒸气云到进入物质的持续热传递，使得进入物质中包含的固体持续悬浮在生成的蒸气云中。
每组中所需的在径向上间隔开的混合突出部的数量可以根据以下关系式确定：
#mp＝C(dmd/vp,min),
其中，C是等于或大于12π的常数，#mp是每组中的在径向上间隔开的混合突出部的数量，dmd[m]是混合装置在相应组处的径向直径，并且vp,min[m/s]是在每个混合突出部上最靠近内表面的位置处的最小周向旋转速度。
如上所述，最小周向旋转速度vp,min被设置为确保在操作期间，重力对最小外围体积部Vp内的物质没有影响或影响很小。例如，当dmd＝1.1m和vp,min＝5m/s时，#mp应至少为8。
在更优选的实施例中，为了确保在最小外围体积部Vp内的基质的不蒸发部分和蒸发部分在操作期间实现湍流特征，当确定每组中的混合突出部的数量时，常数C可以被设置为等于45π或更高，例如60π或80π。因此，在内表面实现了强烈的、接近瞬时的加热。例如，当dmd＝1.1m且vp,min＝25m/s时，在C等于45π的情况下，#mp应至少为6。
注意，上述最小周向旋转速度vp,min、每组中在径向上间隔开的混合突出部的数量#mp和混合装置的径向直径dmd之间的关系没有考虑由于每个混合突出部的力(由其速度设定)而产生的混合/碰撞效应。
在径向上间隔开的混合突出部可以包括沿L方向以偏移的方式分布的多个径向突出元件。术语“径向突出元件”在本文中被定义为具有显著径向分量地定向的元件，优选地为细长元件，如杆。径向分量优选地构成元件总长度的50％以上，例如100％。
多个径向突出元件(如杆)可以连接到多个细长物体，最优选地可替换地连接(通过例如使用螺纹)。
此外，多个径向突出元件可以围绕可旋转轴径向对称地布置。
多个径向突出元件中的至少一个在最靠近内表面的一端处或附近可以包括扰动器件或结构，该扰动器件或结构被设计成提高物质的混合速率。例如，扰动器件可以采取锋利的边缘、盘、锤状、翼型等形状。至少后两种示例性形状应该定向为头部或前缘指向旋转机构的旋转方向。
加热装置可以被配置成提供为在最小外围体积部(Vp)的至少一部分内实现并保持操作温度Top所需的总热能的至少60％，更优选地至少65％，甚至更优选地至少70％，例如75％。因此，总热能的其余部分由旋转机构的旋转运动产生。
在分离设备的一个示例性配置中，处理室具有内径向直径dc(或者如果不恒定的话，平均内径向直径dc)的柱形形状，并且其中，长度lc与内径向直径dc之间的比值(lc/dc)等于或小于4.0，甚至更优选地等于或小于2.5，甚至更优选地等于或小于2.0，甚至地更优选等于或小于1.5，例如1。
附加地或可替代地，对于上述示例性配置，混合装置可以被布置和设计成使得它不有助于物质沿着L方向从入口到出口的净输送。例如，扰动器件和/或细长物体的形状可以使得没有或非常少量的物质沿L方向被推动。
在另一示例性配置中，多个旋转盘中的至少一个示出为具有至少一个贯通开口，以允许物质的蒸发部分在操作期间流过。这些贯通开口中的至少一个可以被设计成围绕旋转轴线径向对称。此外，至少一个贯通开口可以布置在每个旋转盘的最靠近可旋转轴处的径向半部处。
在特定的配置中，距具有物质入口的贮槽末端最近的旋转盘是紧凑的，即，没有任何贯通开口，而其余的盘示出为具有这样的开口。从而确保没有或非常少量的物质的不蒸发部分在第二出口处流出贮槽。
贮槽还可包括多个内肋，这些内肋布置在内表面的至少一部分上，从而增加处理室的表面积并且增加在最小外围体积部Vp内的物质的湍流的产生。每个内肋径向地突出到处理室中。多个肋优选地围绕内表面的周缘以偏移的方式分布，特别是在内壁上沿L方向取向。
在又一示例性配置中，加热装置还包括围绕贮槽布置的外壳，使得在贮槽壁的外表面和外壳的内表面之间形成空隙。外壳包括分别用于将加热流体进给到空隙和从空隙释放加热流体的热量入口和热量出口。该空隙的至少一部分还可以包括在垂直于L方向的方向上延伸的多个外翅片，从而增加外壁的表面积，使得热量更有效地传递到贮槽壁中。外肋可以固定到贮槽壁的外表面和/或在外壳的内表面上。
经由热量入口和热量出口穿过空隙的加热流体可以是水蒸汽、热蒸气、熔融物质、加热液体、来自发电机的剩余废气和来自发动机、涡轮机和/或焚烧炉的剩余废气中的至少一种。
可替代地或附加地，加热装置可以包括布置在贮槽壁内的至少一个加热元件，例如至少一个电加热元件，例如以插入沿L方向延伸的加热通道中的加热杆的形式。这种加热杆可以围绕贮槽的周缘以偏移的方式分布。
可替代地或附加地，加热装置可以包括围绕贮槽外的表面布置的电加热元件、微波加热器和/或感应加热器。
分离设备还可包括：进给装置，用于以流量Si将物质流进给到处理室中；洗涤器，用于在操作期间洗涤从第二出口释放的物质的蒸发部分；以及固体排放罐，用于收集在操作期间从第一出口释放的不蒸发部分。
流量Si可以是在适当的时间段内进行平均的情况下测量的以kg/h为单位的流速，例如1分钟或10分钟或30分钟或1小时或3小时。
在热能来自剩余源的情况下，本发明能够替代其他能量输入，从而显著降低运行能量成本并且/或者使得CO2的排放当量大幅减少。
本发明的构思思想是从外部热源产生足够的热传递并传递到密闭贮槽内的待蒸发的物质上，使得蒸发瞬间或接近瞬间发生。这与蒸发过程更缓慢的传统间接方法形成鲜明对比。
这种瞬间或接近瞬间的蒸发是通过本发明的分离设备来实现的，这是因为来自外部热源的热量主要不是传递给物质中的固体(例如废物)，而是传递给包含蒸发液体和(已经)干燥的固体颗粒的“蒸气云”。如果注入贮槽的物质含有水，则“蒸气云”通常含有大量的水蒸汽。
热量随后通过混合装置在混合下从加热的蒸气云传递到进入物质上。为了确保高的热传递，这种混合应该有利地非常强烈，并且达到组成蒸气云的成分经历湍流特征的点，即，具有快速加速/方向变化的高内部速度。
如上所述，强烈的混合/湍流是通过将旋转机构插入到处理室中来实现的。旋转机构的一个目的是确保最佳混合，并与上述加热系统一起产生蒸气云，以确保从贮槽壁到蒸气云的各种成分的最佳热交换。因此，实现了物质内可蒸发成分的瞬间或接近瞬间的蒸发。
因此，在至少一个优选实施例中，贮槽在操作期间始终包含具有最佳热传递能力的蒸气云，既来自内壁又进一步到达进入物质上。
尽管固态颗粒由于离心力而被迫到贮槽的外围(即，在上述最小外围体积部Vp内)，但可蒸发成分(例如水)的连续蒸发会在所有内部方向上产生大的内力，从而确保在Vp下也存在高百分比的蒸发液体。
通过抵靠贮槽的内壁产生和保持强烈的混合/湍流，内表面保持清洁。这种清洁过程进一步有助于在操作期间实现连续最佳热传递能力的目标。由于混合，固态颗粒将无法在内表面上形成层，这是因为这些表面不断地被包含蒸发液体和固态颗粒的蒸气云“清洗”。强烈的混合也抵消了重力，进一步确保整个内表面可以用来传递热量。
作为瞬间蒸发和强烈混合/湍流的结果，分离设备可以连续运行，而不需要逐渐加热物质的内部传热机构。
根据本发明的一个示例性实施例，贮槽可以布置在基本水平的位置。然而，本领域技术人员将知道，贮槽也可以布置在基本竖直的位置，或者布置在基本水平和基本竖直的位置之间的任何位置。
加热装置和旋转机构的组合建立了热解吸单元，该热解吸单元将确保比已知的间接热解决方案更有效的热传递。混合装置将通过其旋转分散和搅拌物质，从而在处理室内提供“蒸气云效应”。
处理室内“蒸气云”的强烈混合将使得主要是水蒸汽和其他蒸发的液体，但是也有固体和废物的颗粒，将在很短的时间段内与处理室内表面接触，随后，蒸汽和颗粒被移动而不与内表面接触并不断被其他和新的蒸汽和颗粒取代。
在本发明的至少一个实施例中，来自处理室的内表面的热传递如下进行：
-混合装置使得存在于处理室中的物质的成分强烈地混合(优选地湍流)，从而(除了加热装置之外)还提供蒸气云。蒸气云可以包括蒸气(例如，水蒸气和来自其他汽化液体(如油)的蒸气)和固体/颗粒。
-这种抵靠内表面的强烈混合提供了从内表面到蒸气云的高的热传递。
-由于强烈混合，从处理室内表面交换的热量(热能)将立即或几乎立即分布到整个蒸气云中。
如上所述，与蒸气云中的固体和颗粒相结合的强烈混合将使加热表面始终保持清洁，从而加强从处理室的内表面到蒸气云的热传递。蒸气云的强烈搅拌将确保处理室中存在的所有或几乎所有物质都含有具有几乎相同成分(即，不同成分之间的比值)和温度的干燥固体和蒸气。
此外，内表面至少沿L方向被加热并与蒸气云接触。因此，避免了就像在其他已知的间接方法中那样只有贮槽的底部区域在将热传递给物质方面是活跃的。因此，由于热量将被传递到蒸气云，并且由于混合而产生的蒸气云将与处理室的整个加热表面接触，所以与现有技术的解决方案相比，获得了更大的有效加热表面。
另一方面，本发明涉及一种通过使用分离设备对流入处理室的物质进行热分离，优选地连续热分离的方法。
分离设备包括：具有贮槽壁的贮槽，该贮槽壁的内表面包围具有一长度lc、一高度H和一宽度W的处理室，其中，贮槽分别包括至少一个物质入口、用于不可蒸发成分的至少一个第一出口和用于可蒸发成分的至少一个第二出口；加热装置，布置在处理室外部，例如在外表面处和/或贮槽壁内；以及旋转机构，包括布置在处理室内并且沿处理室的长度lc(以下称为L方向)定向的可旋转轴。旋转机构还包括固定到可旋转轴的混合装置，使得混合装置在垂直于L方向延伸相当长的距离，优选地至少为处理室的中心轴线CTC与内壁之间直线距离的80％，甚至更优选地至少90％。混合装置的径向最外侧部分，例如多达混合装置径向延伸程度的20％，或多达径向延伸程度的10％，包括轴向偏移的组，这些组具有在径向上间隔开的混合突出部，从而允许至少部分物质，优选地所有蒸发物质在内表面强烈混合。中心轴线CTC被定义为沿L方向定向并位于处理室平均宽度W和平均高度H的中间位置处的轴线。
在一个实施例中，混合突出部可以是从混合装置其余部分的最外侧边界径向突出的杆的形式，并且沿着可旋转轴的长度的至少80％间隔开地分布。
在另一实施例中，突出部平行于可旋转轴跨越混合装置的长度连续地延伸。例如，这种突出部可以是布置在混合装置的盘的径向突出部分之间的轴向杆。
该方法包括以下步骤(以任何顺序)：
A.通过使用加热装置加热内表面，以将热能从加热装置经由内表面传递到限制在混合装置(包括混合突出部)和内表面之间的处理室的最小外围体积部Vp上，优选地，这在步骤B中的旋转机构已经启动时进行，其中，如果存在蒸气云的话，则将热能传递到在其中产生的蒸气云(见下面的步骤D)；
B.通过使用可操作地固定到可旋转轴的旋转驱动器，使旋转机构旋转，使得在混合装置的径向外边界(即，混合突出部的径向外边界)处测量的周向旋转速度(vp)超过每秒5米的最小周向旋转速度(vp,min)；
C.使用进给装置，优选地是自动进给装置，通过至少一个物质入口将物质进给到处理室中，其中，该物质包括两种或更多种成分，其中，成分中的至少一种在蒸发温度Te(例如小于200℃)下是可蒸发的；以及
D.调整以下项中的至少一项：
-加热装置的输入功率，
-流入处理室的物质，即，通过至少一个物质入口中的至少一个物质入口流入处理室的物质，
-旋转驱动器的输入功率，以及
-从至少一个第一出口释放的物质的不蒸发部分的流出流，
使得向最小外围体积部Vp的至少一部分中传递的总热能使其在操作期间具有超过蒸发温度Te的操作温度Top，并且其中，由加热装置传递到最小外围体积部Vp的一部分中的热能的量构成总传递热能的60％以上，优选地至少65％，更优选地至少70％，例如75％。
与强烈混合相结合的总传递热能产生蒸气云，该蒸气云包括蒸发部分和不蒸发部分(如干固体)的混合物，其中蒸发部分即处于流体状态(气体或液体)的成分。
结果是在最小外围体积部Vp内，即在内表面上或内表面附近处，接近瞬时的加热和蒸发。
混合装置的最外侧径向部分优选地包括多个在径向上间隔开的混合突出部。
此外，多个在径向上间隔开的混合突出部可以被分成一个或多个组，这些组沿可旋转轴轴向分布并且跨越混合装置的轴向长度lmd。每组中的混合突出部的数量定义为，当沿着可旋转轴的方向在所讨论的组的前方的轴向位置处直接观察时，在围绕可旋转轴的整个圆中轴向上最近的混合突出部的数量。
此外，还将旋转机构的最小周向旋转速度vp,min定义为
vp,min＝C(dmd/#mp),
其中
C是等于或大于12π的常数，
#mp是每组中在径向上间隔开的混合突出部的数量，并且
dmd[m]是混合装置的径向直径(即，包括混合突出部)。
例如，在径向上间隔开的混合突出部可以与彼此径向偏移的多个轴向平面对准，并且其中，所有轴向平面都与中心轴线CTC相交。
如果每组中的混合突出部呈径向杆的形式，并且这些杆相对于彼此基本上不轴向平移，则物质的不蒸发部分和蒸发部分在内表面处的最大混合发生在处理室内的一个径向平面处和附近。在这种配置中，混合装置包括混合突出部的多个这种径向盘。如果混合突出部是构成混合装置径向最外侧部分的轴向杆的形式，则只能存在一组。
在优选的配置中，每组的混合突出部被设置成与五个在径向上间隔开的轴向平面对准，即当沿着中心轴线CTC看时直接在彼此后方。在整个混合装置长度lmd上具有总共100个混合突出部并且在每组中具有10个混合突出部(#mp＝10)的特定配置中，将有超过9个组在轴向偏移的径向平面上对准。
在本发明的另一个示例中，每组内的每个或一些混合突出部可以轴向平移。因此，不是在沿着混合装置的轴向长度lmd的不同径向平面中具有最大混合，而是在围绕内表面的周缘的一个或多个扫描区域中发生最大混合。
在后一示例的一个版本中，混合突出部在混合装置的整个轴向长度lmd上连续轴向平移。
在特定实施例中，旋转驱动器的输入功率和/或加热装置的输入功率由从至少一个第一出口释放的流出流控制。
最小外围体积部Vp的定义应解释为贮槽内壁与混合装置外侧的外边界之间的体积(在所有空间方向上)。因此，在径向上间隔开的混合突出部之间的空的空间不构成最小外围体积部Vp的一部分。例如，如果贮槽是一个内部长度lc、内直径dc都为1米的容器，并且固定到可旋转轴的混合装置的直径dmd在径向上平均延伸0.95米，长度lmd在轴向上平均延伸0.90米，则最小外围体积部Vp为：
Vp＝V柱形部–V混合装置＝(1/4)π(dc 2lc–dmd 2lmd)≈0.15m3,
其中dc＝1米，lc＝1米，dmd＝0.95米，lmd＝0.90米。
因此，在本示例中，Vp约占整个贮槽内部体积的20％。
通过将直径为1.1m的八个混合突出部的周向旋转速度保持在5m/s以上，或者可替代地，将周向旋转速度vp保持在等于或高于上述定义的最小周向旋转速度vp,min，由于避免或大体上避免了重力的影响，因此可以确保所有或大部分内表面被用于热传递。此外，内表面保持清洁，或几乎清洁，从而保持该热传递显著高于现有的间接解决方案中的热传递。
例如，直径为1.1米的混合装置在其径向最外侧部分布置有八个混合突出部的组(其中，每组中的混合突出部在同一轴向平面上彼此对准)，使用上述关系式(vp,min＝C(dmd/#mp)的混合装置的最小周向旋转速度vp,min变为大约5米每秒(m/s)。
在内表面处，周向旋转速度vp对物质产生向心力Fc。这种向心力Fc的基本公式为：
Fc＝2mvp 2/dmd,
其中
m[kg]为混合突出部最外端的受影响质量，
vp[m/s]为周向旋转速度，并且
dmd[m]为混合装置的直径。
此外，在同一位置的主要重力Fg为
Fg＝mg，
其中
g[m/s2]是重力常数＝9.8，并且
m[kg]为上述受影响的质量。
因此，向心力Fc和重力Fg之间的比值为
Figure BDA0003684754780000191
由于向心力Fc与周向旋转速度vp的平方成正比，所以当速度为5m/s或更高，混合装置直径dmd约为1.1米时，所得到的比值Fc/Fg约为5，即显著高于1。
因此，为了避免分离过程中不希望的来自重力的影响，周向旋转速度vp可以(在这种配置下)低至5m/s。
此外，对于每个径向平面/扫描区域，一组具有八个混合突出部(#mp＝8)的混合装置和直径为2米(dmd＝2)的混合装置所得到的最小周向旋转速度vp,min为9.4m/s。在#mp＝13，dmd＝3.25m时，获得了类似的结果。因此，可以通过改变混合装置的直径(dmd)或改变混合突出部的数量(#mp)或其组合来改变操作期间避免重力的显著影响所需要的最小速度。
注意，术语“径向”在下文中表示垂直于L方向的方向。
在有利的操作中，旋转机构的周向旋转速度vp被调节为使得在最小外围体积部Vp内的物质的任何蒸发或汽化的成分/部分的一些或全部(以蒸气云的形式)获得湍流特征，即，以压力和流速的无序变化的内部状态为特征的运动模式(与层流相反)。
这种湍流特征的存在可以通过测量贮槽壁与蒸气云之间的温差ΔT来检测。当测量到ΔT的显著下降，和/或发现最小ΔT时，例如到大约50K，朝向内壁的流体流的量变多，指示湍流速度模式。
为了在最小外围体积部Vp内产生高度湍流，旋转机构的周向旋转速度Vp可以被设置为超过最小周向旋转速度vp,min的速度，其中
vp,min＝C(dmd/#mp),其中C≥45π
即，至少是上述速度标准的3.75倍，以避免在操作期间受到重力效果的显著影响。
使用与上述相同的示例性配置，即，具有布置在其径向最外侧部分的八个混合突出部组的混合装置和直径dmd为1.1米的混合装置，在这种有利操作中，混合装置的最小周向旋转速度vp,min约为19.4m/s。
为了确保更高程度的湍流和热传递效率，更有利的操作具有最小周向旋转速度vp,min
vp,min＝C(dmd/#mp),
其中C≥60π，甚至C≥80π更好。
对于上述示例性配置，vp,min将分别为约25.9m/s或约34.5m/s。增加的周向旋转速度vp引起了增加的湍流，使得期望的热传递效率的增加。
使用24个混合突出部(#mp＝24)的组和直径为1.1m的混合装置，可以在速度超过11.5m/s的情况下获得相同的强烈混合(产生湍流特征)。然而，由于较高的速度不仅有助于增加在混合体积部上的清扫次数，而且还导致了更剧烈的物质碰撞(“吹气效应”)，因此，与相同的通过次数但是较高的周向速度相比，热传递效率会降低。
注意，这些示例设定一组混合突出部沿着混合装置的长度lmd在同一轴向平面上对准。
对于这种特定配置，其他可能的最小外围旋转速度vp,min可能在20m/s以上、25m/s以上或30m/s以上。对于这种配置，确保强烈混合到湍流特征的周向旋转速度vp的特定示例可以是40m/s。
如果与具有较高比重(SG)的物质(例如钻井废物中的固体)相比，物质中的固体具有较低的比重(SG)(例如来自生物质)，则将以较低的周向旋转速度实现湍流特征。
注意，上述最小周向旋转速度vp,min、在径向上间隔开的混合突出部的数量#mp和混合装置的径向直径dmd之间的关系没有考虑由于每个混合突出部的力(由其速度设定)而产生的混合效应。因此，对于C、dmd和#mp的每个特定配置，将有一个大于零的较低的阈值vp,min。
此外，如果混合突出部的组明显偏离轴向对准(即，与同一轴向平面相交)，则可以通过调整因子fmp来校正上述关系：
vp,min＝fmp C(dmd/#mp)
其中调整因子fmp是一个唯象因子，它取决于沿混合装置长度从轴向对准偏差的程度。低程度的轴向对准将使得fmp高。例如，当C＝80π，dmd＝1.1，vp,min＝34.5m/s，#mp＝100且沿混合装置的长度lmd径向和轴向均匀分布并且径向分布近似随机时，fmp＝12.5。
在分离设备的示例性配置中，旋转机构的可旋转轴布置成与室的中心轴线CTC对准。
在另一示例性配置中，可旋转轴延伸通过贮槽的至少一个末端壁的中心点。
在又一示例性配置中，处理室具有径向直径为dc(或者，在不恒定的情况下，平均径向直径dc，)的柱形形状，并且其中，长度lc和径向直径dc之间的比值(L/dc)等于或小于4.0，更优选地等于或小于2.5，甚至更优选地等于或小于2.0，甚至更优选地等于或小于1.5，例如1。
附加地或可替代地，对于上述示例性配置，混合装置可以被布置和设计成使得它不有助于物质沿着L方向从入口到出口的净输送。例如，扰动器件和/或细长物体的形状可以使得没有或非常少量的物质被沿L方向推动。
在又一示例性配置中，混合装置包括：多个旋转盘，以轴向偏移的方式固定到可旋转轴，优选取向围绕旋转轴线径向对称；以及多个细长物体，将多个旋转盘互连。多个旋转盘中的至少一个可以示出为具有至少一个贯通开口，以允许物质的蒸发部分在操作期间流过。这些贯通开口中的至少一个可以被设计成围绕旋转轴线径向对称。此外，至少一个贯通开口可以布置在每个旋转盘的最靠近可旋转轴处的径向半部处。在该特定配置中，最大外围体积部可以被定义为贮槽的内壁和旋转盘的外边界之间的体积。
在特定的配置中，距具有物质入口的贮槽末端(即，第二出口5的相对端处)最近的旋转盘是紧凑的，即，没有任何贯通开口，而其余的盘示出为具有这样的开口。因此，确保处理室内的由于离心力而存在于内表面处的不蒸发部分(例如干物质)不被引导到混合装置中，即，室的气体或气态成分应构成物质的最主要部分的区段。因此，如果末端处的旋转盘未闭合，则存在不蒸发部分被引导通过该盘的开口并进入可旋转轴附近物质的蒸发部分的流的可能性。这种不蒸发部分的流增加了不蒸发部分从第二出口不期望的释放的风险。
在又一示例性配置中，贮槽还可包括多个内肋，这些内肋布置在内表面的至少一部分上，从而增加处理室的表面积并且增加在最小外围体积部Vp内的物质的湍流的产生。每个内肋径向地突出到处理室中。多个肋优选地围绕内表面的周缘以偏移的方式分布，特别是在内壁上沿L方向取向。然而，多个肋中的每个肋也都可以沿着垂直于L方向的内表面的周缘布置，并且沿着L方向以偏移的方式分布。
在又一示例性配置中，加热装置包括围绕贮槽布置的外壳，使得在贮槽壁的外表面和外壳的内表面之间形成空隙。外壳包括热量入口和热量出口，热量入口用于将加热流体进给到空隙中，以用于经由贮槽壁将热量传递到处理室的目的，热量出口用于从空隙释放冷却的流体。该空隙的至少一部分还可以包括多个突出元件，例如翅片，从而增加外壁的表面积，使得热量更有效地传递到贮槽壁中。突出元件/翅片固定到贮槽壁的外表面，也可能固定到外壳的内表面。此外，翅片可以在L方向上延伸。
经由热量入口和热量出口穿过空隙的加热流体可以是水蒸汽、热蒸气、熔融物质、加热液体、或者来自发动机、涡轮机或焚烧炉的废气中的至少一种。
可替代地或附加地，加热装置可以包括布置在贮槽壁内的至少一个加热元件，例如至少一个电加热元件，例如以插入沿L方向延伸的通道中的加热杆的形式。这种加热杆可以围绕贮槽的周缘以偏移的方式分布。
可替代地或附加地，加热装置可以包括围绕贮槽的外表面布置的电加热系统、微波加热系统和/或感应加热系统。
分离设备还可包括：进给装置，用于以流量Si将物质的流进给到处理室中；洗涤器，用于从在操作期间从第二出口释放的物质的蒸发部分中除去细小固体；以及固体排放系统，用于释放和收集在操作期间从第一出口释放的不蒸发部分。
流量Si可以是在适当的时间段内进行平均的情况下测量的以kg/h为单位的流速，例如1分钟或10分钟或30分钟或1小时或3小时。
参考步骤D，加热装置的输入功率和/或旋转驱动器的输入功率可以被设置为恒定水平，并且其中，流量Si被调节为使得在最小外围体积部Vp的至少一部分内实现并保持操作温度Top。
可替代地，流量Si可以被设置为恒定速率，同时加热装置的输入功率和/或旋转驱动器的输入功率被调节为使得在最小外围体积部Vp的至少一部分内实现并保持操作温度Top。
在又一示例性配置中，分离设备还包括温度传感器和控制系统，温度传感器被布置成使得可以直接或间接地测量处理室内和/或处的温度，控制系统与温度传感器、进给装置、加热装置和/或旋转驱动器信号通信。例如，可以在处理室的内表面处和/或在第二出口处和/或在第一出口处和/或在贮槽壁内和/或在贮槽壁的外表面上的某处测量所述温度。这里，在处理室内或处理室处测量的温度将被定义为物质温度。
控制系统被配置为基于温度传感器测量的物质温度自动调节流量Si、到加热装置的输入功率和到旋转驱动电机的输入功率中的至少一者。温度测量可以以一时间间隔或连续或它们的组合执行。这种测量的位置可以在处理室内、处或邻近处理室的任何地方，例如在第一出口处或附近以及/或者在物质入口处或附近。
例如，步骤D可以包括以下部分步骤：
-通过使用温度传感器来测量物质温度；
-将物质温度传输到控制系统，该控制系统根据物质温度再次计算新的流量Sn；以及
-通过向进给装置发送信号将流量Si调整为新的流量Sn。
这些部分步骤通常在将加热装置的输入功率和旋转驱动器的输入功率保持在恒定或接近恒定的设定操作参数时执行。
在热能来自剩余源的情况下，本发明能够替代或减少诸如电力的其他能量输入，从而显著降低总的能量成本和/或消耗并且/或者使得CO2的排放当量大幅减少。
在另一方面，本发明涉及一种分离设备，该分离设备适于对被进给到处理室中的物质进行连续热分离。该物质包括两种或更多种成分，其中，这些成分中的至少一种是可在蒸发温度Te下蒸发的。
该分离设备包括贮槽，该贮槽包括具有内表面和外表面的贮槽壁，其中内表面包围具有一长度lc、一高度H的处理室。注意，长度lc和高度H分别被定义为沿着室的长度方向跨过室的延伸程度的平均长度lc和垂直于室的长度方向跨过室的延伸程度的平均高度H。
贮槽还包括：用于将物质进给到处理室中的物质入口、用于从处理室释放物质的不蒸发部分(如固态颗粒)的第一出口、用于从处理室释放物质的蒸发部分(如气体和/或蒸气)的第二出口、以及旋转机构。
旋转机构包括至少部分地沿着处理室的长度lc(以下简称L方向)布置在处理室内的可旋转轴，并包括固定到可旋转轴并从其垂直地延伸的混合装置。所述可旋转轴优选地布置成沿L方向与处理室的中心轴线CTC(高度H和宽度W的中间位置)对准。此外，所述可旋转轴优选地沿L方向延伸穿过至少一个贮槽末端的中心点，其中，可旋转轴的至少一端位于贮槽外表面的外部。
分离设备还包括：旋转驱动器，操作性地连接到或靠近可旋转轴的一端；以及加热装置，布置在处理室和内表面之外，例如在外表面处和/或贮槽壁内。加热装置被配置为经由内表面将热能传递到处理室内的最小外围体积部Vp。
最小外围体积部Vp的定义与第一方面的定义相同。
旋转驱动器可以是电动机、内燃机和涡轮机中的至少一种。
混合装置包括：多个旋转盘，该旋转盘以轴向偏移的方式固定到可旋转轴，优选取向围绕旋转轴线径向对称；以及多个细长物体，这些细长物体将多个旋转盘互连。
加热装置和旋转驱动器被配置为使得当加热装置和旋转驱动器都以其相应的操作输入功率Phd和Prm操作时，在最小外围体积部Vp的至少一部分内(优选地整个最小外围体积部Vp)获得等于或高于蒸发温度Te的所得操作温度Top。
利用这种特定的配置，分离设备能够使在Te下可蒸发的成分蒸发成蒸气云，该蒸气云的热传递速率显著高于最初进给到处理室中的物质的平均热传递速率。
此外，可以设想，可旋转轴还可以连接到多于一个旋转驱动单元，例如两个电动机、一个电动机和一个内燃机等。
混合装置还可包括沿L方向以偏移的方式分布的多个径向突出元件。术语“径向突出元件”在本文中被定义为具有显著径向分量定向的元件，优选地为诸如杆的细长元件。径向分量优选地构成元件的总长度的50％以上，例如100％。
多个径向突出元件(如杆)可以连接到多个细长物体，最优选地可替换地连接(通过例如使用螺纹)。
此外，多个径向突出元件可以围绕可旋转轴径向对称地布置。
多个径向突出元件中的至少一个在最靠近内表面的一端处或附近可以包括扰动器件或结构，该扰动器件或结构被设计成提高物质的混合速率。例如，扰动器件可以采取锋利的边缘、盘、锤状、翼型等形状。至少后两种示例性形状应该定向为头部或前缘指向旋转机构的旋转方向。
在优选的示例中，旋转驱动器被配置为产生超过每秒5米、更优选地处于或高于每秒20米的周向旋转速度。在混合装置的外部，优选地最外侧径向边界处测量周向旋转速度。因此，如果混合装置包括径向突出元件，则最外侧径向边界可以是扰动器件。可替代地或附加地，这样的边界可以是混合装置的细长物体。
在每秒20米或更高的周向旋转速度下，在最小外围体积部Vp内的物质的至少一部分产生湍流特征。如果目标是产生湍流特征，则混合装置的主要目的不是将动能转化为摩擦热，而是在处理室内产生湍流蒸气云(主要由外部热源经由容器的内表面加热)并保持该湍流蒸气云，并且(同时)通过搅拌处理室内的物质来确保从蒸气云到进入物质的持续热传递，使得进入物质中包含的固体持续悬浮在生成的蒸气云中。
加热装置可以被配置成提供为在最小外围体积部(Vp)的至少一部分内实现并保持操作温度Top所需的总热能的至少60％，更优选地至少65％，甚至更优选地至少70％，例如75％。因此，总热能的其余部分由旋转机构的旋转运动产生。
在分离设备的一个示例性配置中，处理室具有径向直径dc(或者，如果不恒定的话，平均径向直径dc)的柱形形状，并且其中，长度lc与径向直径dc之间的比值(lc/dc)等于或小于4.0，甚至更优选地等于或小于2.5，甚至更优选地等于或小于2.0，甚至地更优选等于或小于1.5，例如1。由于降低成本和更高的紧凑性，这种配置被认为是有利的，并且由于分离设备允许在最小外围体积部Vp内瞬时或接近瞬时加热和蒸发，因此不需要超过特定的室的长度来完成分离过程。
附加地或可替代地，对于上述示例性配置，混合装置可以被布置和设计成使得它不有助于物质沿着L方向从入口到出口的净输送。例如，扰动器件和/或细长物体的形状可以使得没有或非常少量的物质被沿L方向推动。
在另一示例性配置中，多个旋转盘中的至少一个示出为具有至少一个贯通开口，以允许物质的蒸发部分在操作期间流过。这些贯通开口中的至少一个可以被设计成围绕旋转轴线径向对称。此外，至少一个贯通开口可以布置在每个旋转盘的最靠近可旋转轴处的径向半部处。
在特定的配置中，距具有物质入口的贮槽末端最近的旋转盘是紧凑的，即，没有任何贯通开口，而其余的盘示出为具有这样的开口。从而确保没有或非常少量的物质的不蒸发部分在第二出口处流出贮槽。
贮槽还可包括多个内肋，这些内肋布置在内表面的至少一部分上，从而增加处理室的表面积并且增加在最小外围体积部Vp内的物质的湍流的产生。每个内肋径向地突出到处理室中。多个肋优选地围绕内表面的周缘以偏移的方式分布，特别是在内壁上沿L方向取向。
在又一示例性配置中，加热装置还包括围绕贮槽布置的外壳，使得在贮槽壁的外表面和外壳的内表面之间形成空隙。外壳包括分别用于将加热流体进给到空隙中和从空隙释放加热流体的热量入口和热量出口。该空隙的至少一部分还可以包括在垂直于L方向的方向上延伸的多个外翅片，从而增加外壁的表面积，使得热量更有效地传递到贮槽壁中。外肋可以固定到贮槽壁的外表面和/或在外壳的内表面上。
经由热量入口和热量出口穿过空隙的加热流体可以是水蒸汽、热蒸气、熔融物质、加热液体、来自发电机的剩余废气和来自发动机、涡轮机和/或焚烧炉的剩余废气中的至少一种。
可替代地或附加地，加热装置可以包括布置在贮槽壁内的至少一个加热元件，例如至少一个电加热元件，例如以插入沿L方向延伸的加热通道中的加热杆的形式。这种加热杆可以围绕贮槽的周缘以偏移的方式分布。
可替代地或附加地，加热装置可以包括围绕贮槽外的表面布置的电加热元件、微波加热器和/或感应加热器。
分离设备还可包括：进给装置，用于以流量Si将物质的流进给到处理室中；洗涤器，用于在操作期间洗涤从第二出口释放的物质的蒸发部分；以及固体排放罐，用于收集在操作期间从第一出口释放的不蒸发部分。
流量Si可以是在适当的时间段内进行平均的情况下测量的以kg/h为单位的流速，例如1分钟或10分钟或30分钟或1小时或3小时。
在热能来自剩余源的情况下，本发明能够替代其他能量输入，从而显著降低运行能量成本并且/或者使得CO2的排放当量大幅减少。
本发明的构思思想是从外部热源产生足够的热传递并传递到密闭贮槽内的待蒸发的物质上，使得蒸发瞬间或接近瞬间发生。这与蒸发过程更缓慢的传统间接方法形成鲜明对比。
这种瞬间或接近瞬间的蒸发是通过本发明的分离设备来实现的，这是因为来自外部热源的热量主要不是传递给物质中的固体(例如废物)，而是传递给包含蒸发液体和(已经)干燥的固体颗粒的“蒸气云”。如果注入贮槽的物质含有水，则“蒸气云”通常含有大量的水蒸汽。
热量随后通过混合装置在混合下从加热的蒸气云传递到进入物质上。为了确保高的热传递，这种混合应该有利地非常强烈，并且达到组成蒸气云的成分经历湍流特征的点，即，具有快速加速/方向变化的高内部速度。
如上所述，强烈的混合/湍流是通过将旋转机构插入到处理室中来实现的。旋转机构的一个目的是确保最佳混合，并与上述加热系统一起产生蒸气云，以确保从贮槽壁到蒸气云的各种成分的最佳热交换。因此，实现了物质内可蒸发成分的瞬间或接近瞬间的蒸发。
因此，在至少一个优选实施例中，贮槽在操作期间始终包含具有最佳热传递能力的蒸气云，既来自内壁又进一步到达进入物质上。
尽管固态颗粒由于离心力而被迫到贮槽的外围(即，在上述最小外围体积部Vp内)，但可蒸发成分(例如水)的连续蒸发会在所有内部方向上产生大的内力，从而确保在Vp下也存在高百分比的蒸发液体。
通过抵靠贮槽的内壁产生和保持强烈的混合/湍流，内表面保持清洁。这种清洁过程进一步有助于在操作期间实现连续最佳热传递能力的目标。由于混合，固态颗粒将无法在内表面上形成层，这是因为这些表面不断地被包含蒸发液体和固态颗粒的蒸气云“清洗”。强烈的混合也抵消了重力，进一步确保整个内表面可以用来传递热量。
作为瞬间蒸发和强烈混合/湍流的结果，分离设备可以连续运行，而不需要逐渐加热物质的内部传热机构。
根据本发明的一个示例性实施例，贮槽可以布置在基本水平的位置。然而，本领域技术人员将知道，贮槽也可以布置在基本竖直的位置，或者布置在基本水平和基本竖直的位置之间的任何位置。
加热装置和旋转机构的组合建立了热解吸单元，该热解吸单元将确保比已知的间接热解决方案更有效的热传递。混合装置将通过其旋转分散和搅拌物质，从而在处理室内提供“蒸气云效应”。
处理室内“蒸气云”的强烈混合将使得主要是水蒸汽和其他蒸发的液体，但是也有固体和废物的颗粒，将在很短的时间段内与处理室内表面接触，随后，蒸汽和颗粒被移动而不与内表面的接触并不断被其他和新的蒸汽和颗粒取代。
在本发明的至少一个实施例中，来自处理室的内表面的热传递如下进行：
-混合装置使得存在于处理室中的物质的成分强烈地混合(优选地湍流)，从而(除了加热装置之外)还提供蒸气云。蒸气云可以包括蒸气(例如，水蒸气和来自其他汽化液体(如油)的蒸气)和固体/颗粒。
-这种抵靠内表面的强烈混合提供了从内表面到蒸气云的高的热传递。
-由于强烈混合，从处理室内表面交换的热量(热能)将立即或几乎立即分布到整个蒸气云中。
如上所述，与蒸气云中的固体和颗粒相结合的强烈混合将使加热表面始终保持清洁，从而加强从处理室的内表面到蒸气云的热传递。蒸气云的强烈搅拌将确保处理室中存在的所有或几乎所有物质都含有具有几乎相同成分(即，不同成分之间的比值)和温度的干燥固体和蒸气。
此外，内表面至少沿L方向被加热并与蒸气云接触。因此，避免了就像在其他已知的间接方法中那样只有贮槽的底部区域在将热传递给物质方面是活跃的。因此，由于热量将被传递到蒸气云，并且由于混合而产生的蒸气云将与处理室的整个加热表面接触，所以与现有技术的解决方案相比，获得了更大的有效加热表面。
处理室可以设置在大气压下。可替代地，处理室压力可以低于大气压，例如处于或低于0.3巴的压力。
附图说明
所附附图帮助对本发明的理解。附图示出了本发明的现在仅以示例的方式进行描述的实施方式，在附图中：
图1是根据本发明的分离设备的示意性侧视图。
图2是根据本发明的分离组件的示意性侧视图。
图3是根据本发明的分离设备的第一实施例的侧视剖切立体图。
图4是图3的分离设备的侧视剖切立体图，其中，内肋布置在贮槽的内表面上。
图5是图3的分离设备的前视剖切立体图，其中，剖切面深入到设备的贮槽中。
图6是图3中所示的分离设备的外围部分的侧视剖切立体图，其中，在单独的图中进一步详细地示出了一个径向突出元件。
图7是图3至图5的分离设备的侧视立体图。
图8是根据本发明的分离设备的第二实施例的侧视剖切立体图，其中，在单独的图中进一步详细地示出了一个用于产生湍流的细长物体。
图9是图8的分离设备的侧视剖切立体图，其中，内肋布置在贮槽的内表面上。
图10是根据本发明的分离设备的旋转机构的立体侧视图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图更详细地讨论本发明的实施例。然而，应当理解，附图并非旨在将本发明限制于附图中描绘的主题。
应当理解，为了清楚起见，本发明的在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合地提供。相反，为了简洁起见，已经在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。具体地，应当理解，关于一个具体实施例描述的特征可以与关于其他实施例描述的特征互换。
具体参考示出本发明第一实施例的图1，分离设备100被配置为对流入具有内表面1a和外表面1b的柱形贮槽1内的处理室2中的物质12执行连续热分离。该贮槽包括内部长度为lc的柱形壁和内直径为dc的两个圆形端壁(或者可替代地，为具有高度H和宽度W的椭圆形或矩形或方形)，这些圆形端壁布置在柱形壁的两端上。
通过使用进给装置20(图2)进给到物质入口3中的物质12由多个成分(An，其中n>1)组成，其中，这些成分中的一个或多个部分12b(Ae m，其中m≤n)可以以不同的蒸发温度(Te i，其中i＝1…m)蒸发。因此，物质12的部分12a(An-m)可以被认为在处理室2内的设定操作温度(Top≥Te i)下是不可蒸发的。不可蒸发部分12a和可蒸发部分12b分别通过第一出口4和第二出口5从贮槽1释放。在操作期间，形成包括不可蒸发部分12a和可蒸发部分12b的混合物的蒸气云12c。所述蒸气云12c包括流体(气体和/或液体)和固体/颗粒。
贮槽1包括旋转机构7，该旋转机构具有与贮槽1的中心纵向轴线C对准的可旋转轴7a。轴7a延伸跨过贮槽1的长度L并穿过至少一个端壁，优选地穿过两个端壁。
旋转机构7还包括在处理室2内固定到可旋转轴7a上的混合装置7b-7d。混合装置7b-7d包括刚性地垂直固定在轴7a上的至少一个旋转轮或盘7b，优选地至少两个，并且包括固定在盘7b的径向外端处的多个混合突出部/突出元件7d。在多个盘7b的情况下，这些盘沿轴7a的纵向方向(即，沿轴线C)以间隔开/偏移的方式布置。在图1中，示出了总共七个间隔开的盘7b，其中除了最左边的盘之外的所有盘都示出为具有位于轴7a附近的开口7b1，从而允许蒸发成分12b流过其中。布置在最靠近具有物质入口3的端壁的单个封闭盘7b(见图7)的主要目的是阻止来自蒸气云12c的固体进入可旋转轴7a和突出元件7d之间的体积，从而避免固体与蒸发部分12b混合并通过第二出口5释放。
为了进一步防止固体从第二出口5逸出，在最靠近第二出口5的盘7b和相邻的内壁1a上分别固定有由两个周向延伸的板23组成的窄缝。
混合装置7b-7d还包括固定在盘7b的外边缘7b2处或附近的多个条7c，其中每个条7c都具有沿着(平行于)贮槽1的中心轴线C定向的长度和取向，这允许两个或更多个盘7b的互连，并且优选地允许所有盘7b的互连。
对于图1至图6中描绘的第一实施例，混合装置7b-7d还包括多个杆7d，这些杆可更换地连接到每个条7c，使得这些杆径向地朝向贮槽1的柱形壁的内表面1a(即，垂直于贮槽1的中心轴线C)突出。杆7d的主要目的是使蒸气云12c强烈混合，以增强来自内壁1a的热传递。
对图1中所示的具体配置，实验表明，在最靠近内贮槽壁的杆7d的端部处测量到的周向速度vp为34.5m/s时，实现了蒸气云12c的强烈混合。在实验期间，混合装置7a-7d具有沿整个混合装置长度lmd间隔分布的八个杆7d(#mp＝8)的组。每组的八个杆7d还沿着混合装置7b-7d的整个周缘间隔地分布。混合装置7b-7d的直径dmd为1.1m，并且内贮槽直径dc为1.2m。
在这种具体配置下，34.5m/s的周向速度对应于600转每分钟(r.p.m)的旋转速度ωrev。利用沿着混合装置的周缘的八个杆7d的组，这对应于每分钟4800次清扫(s.p.m.)跨过内贮槽壁11a的特定区域。
如果决定保持清扫次数恒定，则可以推导出杆/混合突出部的外部径向边界处的最小周向旋转速度vp,min可以由以下式子表示：
vp,min＝80π(dmd/#mp),
其中，dmd是混合装置的直径，#mp是混合突出部的数量。
其他实验表明，在s.p.m.的次数明显低于4800s.p.m，至少下降到2700s.p.m时，就可以实现具有湍流特征的蒸气云。这对应于最小周向旋转速度vp,min＝45π(dmd/#mp)。具体参考图6，可以改变每个杆7d的位于最靠近内表面1a的端部7d1的形状，以优化由旋转机构7的径向范围和内表面1a界定的最小外围体积部Vp中的蒸气云的所述混合。如在图6的椭圆框内的细节图中所示的，杆7d的末端相对于面对的内表面1a可以是平的或接近平的。然而，端部7d1可以是任何形状，只要它们有助于存在于最小外围体积部Vp中的蒸气云12c的混合。图1中椭圆框内的细节图示出了端部7d1可能形状的多种示例。注意，图1的椭圆框内的示例性杆7d都相对于贮槽1内所示的杆7d逆时针转动90°。
为了确保旋转机构7的旋转，以及混合装置7b-7d的旋转，轴7a的端部区段7a1连接到旋转驱动器10。如图2中所示，旋转驱动器由内部和/或外部旋转电机10a提供动力。在图2中所示的示例性配置中，旋转驱动器10包括旋转电机10a、传动带10b和分别围绕端部区段7a1和旋转电机10a的可旋转轴布置的两个传动滑轮10c。
第一出口4专用于释放固态颗粒(不蒸发部分)12a，而第二出口5专用于释放蒸发部分12b。为了避免蒸气通过第一出口4释放出处理室2，旋转阀22(图1)固定到第一出口4，从而将不蒸发部分12a从第一出口4排出。
在通过旋转阀22从第一出口4释放之后，不蒸发部分12a可以由布置在贮槽1下方或部分下方的专用固体排放容器40收集(图2)。
为了监测贮槽1内部的温度，一个或多个温度传感器19可以在不同位置处布置在处理室2内或附近，例如在贮槽壁外部或内部和/或在第一出口4内。图1中描绘了在第一出口内的位置。
蒸气12b可以被进给冷凝系统30中。后者可以分三步执行：
-蒸气12b流入气体洗涤器以清洁蒸气12b中的少量固态颗粒。少量的第一液体(如油)也可以在气体洗涤器内冷凝。
-清洁后的蒸气12b还流入液体冷凝器，例如油冷凝器，以从蒸气12b冷凝第一液体。
-最后，没有或只有少量的第一液体(例如轻油)的清洁蒸气流入蒸汽冷凝器，该蒸汽冷凝器冷凝至少第二种类型的液体(例如水)并且(如果适用的话)冷凝少量的第一液体。
在图1中，看到第一出口4和第二出口5布置在旋转驱动器10远侧的端壁附近，其中，它们从贮槽1伸出的开口分别沿着中心轴线C指向和相对于中心轴线C向下倾斜。然而，第一出口4和第二出口5可以配置在任何方向上，只要它们允许在操作期间释放不蒸发部分12a和蒸发部分12b即可。图3至图5和图7的第一实施例和图8至图9的第二实施例示出了第一出口4的替代配置，该第一出口具有在贮槽1的基部从处理室2伸出的竖直开口。
旋转机构7/混合装置7b-7d的总径向直径dmd(即从中心轴线C到旋转机构7的径向边界的总径向长度的两倍)优选地大于处理室2的直径dc的95％。例如，如果柱形贮槽1的内直径dc为2米，则多个杆7d中的每个杆的端部7d1与内表面1a之间的平均距离应优选地小于10cm，例如3cm或4cm。
在图1和图3至图9中的所有示例性配置中，加热装置6被描绘为包括以下两者的组件：
多个呈棒/杆形状的电阻加热元件6”，沿着(即平行于)中心轴线C布置在贮槽壁内；以及
围绕柱形壁布置的热流体系统，包括外壳13，从而在外壳13的内表面和贮槽1的外表面1b之间形成空隙14。外壳13还包括用于将加热流体6'进给到空隙14的热量入口13a和用于从空隙14释放加热流体6'的热量出口13b。
然而，注意，加热装置6可以包括能够加热贮槽1的内壁1a的任何类型和任何数量的加热机构。例如，在替代实施例中，加热装置6可以仅由容器壁内和/或外部的一个或多个电阻加热元件组成，或者仅由所述热流体系统组成。加热装置6可替代地或附加地包括布置在贮槽1的外表面1b上或附近并且/或者处理室2内部的微波加热器系统和/或感应加热器系统。
图7示出了分离设备100，其中贮槽1的一个端壁示出为具有两个物质入口3并具有用于可旋转轴7a的开口和检查/维修舱口18。然而，应当理解，该端壁可以包括任何数量的物质入口3和任何数量的舱口18。对于图7所示的具体配置，在操作期间只使用两个物质入口3中的一个。例如，另一个物质入口可以用与贮槽1的其余部分相同的材料或用透明玻璃封闭。可替代地，在操作期间，可以通过两个入口3进给物质12。
分别指向热量入口13a和热量出口13b的黑色箭头6'表示热流体的流动。
图8和图9示出了分离设备100的第二实施例。与第一实施例相比，省略了多个杆7d。因此，旋转机构7包括可旋转轴7a和混合装置7c-7d，其中混合装置由多个盘7b和互连的条7c组成。因此，在最小外围体积部Vp内的物质12的期望混合在很大程度上由纵向定向的条7c确保。
为了能够最大限度地混合，优选地达到蒸气云12c在Vp下经历湍流特征的程度，可以优化条7c的形状，例如，通过插入各种形状的条7c并进行操作(并且其中在每次操作期间测量热传递)的重复测试。图8至图9示出了条7c的一个示例性配置，其中纵向截面区域示出为具有三角形形状。三角形的条7c的锋利边缘7c1可以在最小外围体积部中引起更多的湍流和蒸气云12c的强烈混合。
上述分离设备100能够例如使用废热6'作为用于分离废物和副产品的主要间接能量通过热分离有效地从物质12中去除液体和/或气体。由于组合了贮槽1的外部加热和物质成分/蒸气云12c的强烈混合，分离设备100可以在没有引起物质12逐渐加热的净内部传热机构(在目前已知的间接分离方法中是必要的)的情况下连续操作。
通过使用上述设备100，热量不会如间接分离方法那样主要传递给废物中的固体。相反，热被传递到具有高得多的热传递系数的蒸气云12c。蒸气云12c主要由蒸发的液体/气体和热的未蒸发粒子组成(按体积计算)。如果进入物质12中存在水，“蒸发的”蒸气云12c将必然包含水蒸汽。
在操作期间，进行以下处理步骤：
-加热装置6和旋转机构7使进入物质12转变成蒸气云12c。
-来自加热装置6的热能从贮槽1的内表面1a传递到产生的蒸气云12c。
-随后，通过来自旋转机构7的强烈混合/湍流，热能从该加热的蒸气云12c传递到进入物质12上。
通常在现有技术间接加热分离器中发现的从钢到干燥固体的热传递通常为大约75W/m2K。相比之下，从钢到水蒸汽(这将是废物热分离过程中蒸气云12c的典型主要成分)的热传递要高得多，通常为约6000W/m2K。
因此，通过经由上述加热步骤加热物质12，本发明设备实现了显著高于75W/m2K(但低于6000W/m2K)的热传递能力。
最终的热传递将尤其取决于水的含量。例如，当对含有约15％水、15％油和70％不蒸发物质(按重量计)的物质执行热分离试验时，得到了1000至1200W/m2K之间的热传递系数。该物质是钻井作业后切屑的常见组成。
如上所述，强烈混合/湍流机构将确保从蒸气云12c到通过物质入口3的连续进给的物质12和该物质中的各种成分上的最佳混合和热交换，从而使得物质12内的特定液体几乎瞬间蒸发。因此，贮槽1将在任何时候包含具有最佳热传递能力的蒸气云12c，无论是从内表面1a还是进入物质12上。
尽管任何产生的蒸气云中的颗粒必然由于离心力而被迫到处理室的外围，但液体(例如水)的持续蒸发将在所有内部方向上产生大的内力，从而在外围确保高百分比的蒸气(水蒸汽)。
在处理含70％矿物固体、15％水和15％油(按重量计)(钻井作业的切屑)的废物时，已经利用本发明的分离设备进行了测试。测试表明，热传递速率约为1000W/m2K至1200W/m2K之间。对于含有更多水的物质，预计会有甚至更高的热传递速率。
在前面的描述中，已经参考说明性实施例描述了根据本发明的设备和方法的多个方面。出于解释的目的，列出了具体的数字、系统和配置，以提供对设备及其工作原理的透彻理解。然而，该描述不旨在被解释为限制性意义。对于公开的主题所属领域的技术人员显而易见的说明性实施例以及设备和方法的其他实施例的各种修改和变化被认为落入本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种分离设备(100)，
用于对进给到处理室(2)中的物质(12)进行连续热分离，所述物质(12)包括两种或更多种成分，其中，这些成分中的至少一种成分能在蒸发温度(Te)处蒸发，
其中，所述分离设备(100)包括贮槽(1)、旋转驱动器(10)和加热装置(6)，其中：
所述贮槽包括：
-贮槽壁，具有内表面(1a)，所述内表面包围具有一长度lc、一高度H和一宽度W的所述处理室(2)；
-物质入口(3)，用于将所述物质(12)进给到所述处理室(2)中；
-第一出口(4)，用于从所述处理室(2)释放所述物质(12)的不蒸发部分(12a)；
-第二出口(5)，用于从所述处理室(2)释放所述物质(12)的蒸发部分(12b)；以及
-旋转机构(7)，包括布置在所述处理室(2)内的可旋转轴(7a)，所述可旋转轴具有沿所述处理室(2)的长度lc定向的取向，所述旋转机构还包括固定到所述可旋转轴(7a)并从所述可旋转轴垂直延伸的混合装置(7b-7d)，其中，所述混合装置(7b-7d)的径向最外侧部分包括在径向上间隔开的多个混合突出部(7c、7d)；
所述旋转驱动器操作性地连接到所述可旋转轴(7a)；并且
所述加热装置布置在所述处理室(2)外部，其中，所述加热装置(6)被配置为经由所述内表面(1a)将热能传递到所述处理室(2)的最小外围体积部(Vp)，其中，所述最小外围体积部(Vp)被定义为所述内表面(1a)和所述混合装置(7b-7d)的外部径向边界之间的体积，
其特征在于：
所述混合装置(7b-7d)包括：
多个旋转盘(7b)，以轴向偏移的方式固定到所述可旋转轴(7a)，并且
其中，所述加热装置(6)和所述旋转驱动器(10)被配置为使得当所述加热装置(6)和所述旋转驱动器(6)二者都以它们相应的操作输入功率(Phd，Prm)操作时，在所述最小外围体积部(Vp)的至少一部分内获得等于或高于所述蒸发温度(Te)的所得操作温度(Top)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述混合装置(7b-7d)的径向直径(dmd)与所述处理室(2)的径向直径(dc)之间的比值在0.8和1.0之间。
3.根据权利要求1或2所述的分离设备(100)，
其中，在径向上间隔开的多个所述混合突出部(7c、7d)被分成一个或多个组，这些组沿所述可旋转轴(7a)轴向分布并且跨越所述混合装置(7b-7d)的轴向长度(lmd)，每组中的所述混合突出部(7c、7d)的数量被定义为，当沿所述可旋转轴(7a)的方向观察时，在围绕所述可旋转轴(7a)的整个圆中的所述混合突出部(7c、7d)的数量，并且
其中，每组中的在径向上间隔开的所述混合突出部(7c、7d)的数量根据以下关系式确定：
#mp＝C(dmd/vp,min),
其中
C是等于或大于12π的常数，
#mp是每组中的在径向上间隔开的所述混合突出部(7c、7d)的数量，
dmd[m]是所述混合装置(7b-7d)的径向直径，并且
vp,min[m/s]是在每个所述混合突出部(7c、7d)上最靠近所述内表面(1a)的位置处的最小周向旋转速度。
4.根据前述权利要求中任一项所述的分离设备(100)，其中，所述混合装置(7b-7d)还包括使所述多个旋转盘(7b)互连的多个细长物体(7c)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的分离设备(100)，其中，在径向上间隔开的所述混合突出部(7c、7d)包括沿所述处理室(2)的长度lc以偏移的方式分布的多个径向突出元件(7d)。
6.根据从属于权利要求4的权利要求5所述的分离设备(100)，其中，所述多个径向突出元件(7d)能替换地连接到所述多个细长物体(7c)。
7.根据权利要求5或6所述的分离设备(100)，其中，所述多个径向突出元件(7d)围绕所述可旋转轴(7a)径向对称地布置。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的分离设备(100)，其中，所述多个径向突出元件(7d)中的至少一个径向突出元件在最靠近所述内表面(1a)的一端处或附近包括扰动器件(7d1)，所述扰动器件被设计成提高所述物质(12)的混合速率。
9.根据前述权利要求中任一项所述的分离设备(100)，
其中，在径向上间隔开的多个所述混合突出部(7c、7d)被分成一个或多个组，这些组沿所述可旋转轴(7a)轴向分布并且跨越所述混合装置(7b-7d)的轴向长度(lmd)，每组中的所述混合突出部(7c、7d)的数量被定义为，当沿所述可旋转轴(7a)的方向观察时，围绕所述可旋转轴(7a)的整个圆中的所述混合突出部(7c、7d)的数量，并且
其中，每组中的在径向上间隔开的所述混合突出部(7c、7d)的数量根据以下关系式确定：
#mp＝C(dmd/vp,min)，
其中
C是等于或大于45π的常数，
#mp是每组中的在径向上间隔开的所述混合突出部(7c、7d)的数量，
dmd[m]是所述混合装置(7b-7d)的径向直径，并且
vp,min[m/s]是在每个所述混合突出部(7c，7d)上最靠近所述内表面(1a)的位置处的最小周向旋转速度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的分离设备(100)，其中，所述加热装置(6)被配置成提供为在所述最小外围体积部(Vp)的至少一部分内实现并保持所述操作温度(Top)所需的总热能的至少60％。
11.根据前述权利要求中任一项所述的分离设备(100)，其中，所述处理室(2)具有径向直径为dc的柱形形状，其中，所述处理室(2)的长度lc与所述处理室(2)的径向直径dc之间的比值等于或小于4.0。
12.根据前述权利要求中任一项所述的分离设备(100)，其中，所述多个旋转盘(7b)中的至少一个旋转盘示出为具有至少一个贯通开口(7b1)，以允许所述物质(12)的所述蒸发部分(12b)在操作期间流过。
13.根据权利要求12所述的分离设备(100)，其中，所述至少一个贯通开口(7b1)被设计成围绕旋转轴线(7a)径向对称。
14.根据前述权利要求中任一项所述的分离设备(100)，
其中，所述贮槽(1)还包括：
-多个内肋(15)，布置在所述内表面(1a)的至少一部分上，其中，每个所述内肋(15)都径向突出到所述处理室(2)中。
15.根据权利要求14所述的分离设备(100)，其中，所述多个内肋(15)围绕所述内表面(1b)的周缘以偏移的方式分布。
16.根据前述权利要求中任一项所述的分离设备(100)，
其中，所述加热装置(6)还包括：
外壳(13)，围绕所述贮槽(1)布置，使得在所述贮槽壁的外表面(1b)和所述外壳(13)的内表面之间形成空隙(14)，其中，所述外壳(13)包括用于使加热流体(6')进给到所述空隙(14)中的热量入口(13a)和用于从所述空隙(14)释放所述加热流体(6')的热量出口(13b)。
17.根据前述权利要求中任一项所述的分离设备(100)，其中，所述空隙(14)的至少一部分包括在与所述处理室(2)的长度方向垂直的方向上延伸的多个外翅片(16)。
18.根据前述权利要求中任一项所述的分离设备(100)，其中，所述加热流体(6')是水蒸汽、热蒸气、熔融物质、加热液体、来自发电机的剩余废气以及来自发动机的剩余废气中的至少一种。
19.根据前述权利要求中任一项所述的分离设备(100)，其中，所述加热装置(6)包括布置在所述贮槽壁内的至少一个加热元件(10)。
20.根据前述权利要求中任一项所述的分离设备(100)，其中，所述分离设备(100)还包括：
进给装置(20)，用于将所述物质(12)的流进给到所述处理室(2)中；
洗涤器(30)，用于洗涤在操作期间从所述第二出口(5)释放的所述物质(12)的所述蒸发部分(12b)；以及
固体排放罐(40)，用于收集在操作期间从所述第一出口(4)释放的所述物质(12)的所述不蒸发部分(12a)。
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